The Innovation | “小”液滴，“大”冷却：超高温固体表面液体冷却的新突破
导
读
随着科技的发展，超高温固体利用液体有效冷却逐渐成为一项重大挑战，较低的冷却效率会导致严重的安全隐患，极大地阻碍了发动机、核能发电、金属冶炼等领域的进步。近日，香港城市大学的研究人员针对抑制莱顿弗罗斯特效应的研究，回顾了高温固体液体冷却的发展历史，评述了王钻开教授团队的最新突破，展望了未来的研究方向，为解决热冷却及相关领域的关键科学问题提供新的启发和思路。
图1 结构热装甲设计示意图（左，T=20℃）及液滴冷却高温表面（右，T=1000℃）
对高温系统进行有效的热管理，如快速冷却和精确控温等，在金属冶炼、航空航天、核能发电等行业尤为重要。液体冷却是目前常用且有效的方式。当液体与热表面直接接触时，可通过液汽相变释放潜热，具有显著的降温效果。然而，当表面温度远超液体沸点时，液滴会快速产生一层有隔热作用的蒸汽膜而使其悬浮，极大降低表面换热效率，减慢蒸发速率。这一现象被称作莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect），触发时的温度称为莱顿弗罗斯特温度（Leidenfrost point, LFP）。该效应可导致液冷在高温下失效，严重威胁系统安全，引发沸腾危机（boiling crisis）。最近，蒋等人报道了一种结构热装甲设计（Structured Thermal Armor, STA，图1），可在高达1150°C的温度下有效抑制莱顿弗罗斯特现象，实现高效传热和持续降温（Video 1）。
Video 1 (Credit: Nature 601: 568–572; 2022)
一般来说，提升LFP是抑制莱顿弗罗斯特现象最直接的方式，传统方法是构造表面纹理，改变固液接触性质。例如，通过引入微纳米结构或使用多孔结构，增加毛细作用，扰乱蒸汽隔膜，使液体重新与固体接触。Farokhnia团队运用该策略成功将LFP提升至570 ℃；Vakarelsk团队发现覆有二氧化硅纳米颗粒涂层的超亲水球可将LFP显著提高到700 ℃。
然而，许多实际场景的固体表面温度可达1000℃及以上。例如，金属熔炼和淬火的温度高达1000℃，核反应堆堆芯内燃料棒温度远高于此。因此，实现LFP高于1000℃仍是一项艰巨的挑战，在超高温下抑制莱顿弗罗斯特现象变得尤为重要。
为在极端高温下达到有效且持续的热冷却效果，王钻开教授团队利用多纹理表面设计了一种能在1000℃以上有效抑制莱顿弗罗斯特效应的结构热装甲（图1）。该结构具有三个特征：1）使用高热导率的微米级钢柱作为热桥，将热量迅速从高温固体传导至结构表面，维持较高的传热效率；2）使用具有超亲水性和绝热性能的多孔薄膜快速吸收和蒸发液体，通过引入局部低温区，充分发挥毛细润湿作用，破坏固液接触面气膜的形成；3）钢柱底部留有U形槽，有效引导蒸汽快速流出，使液滴保持与热表面的持续接触（Video 2）。
Video 2 (Credit: Nature 601: 568–572; 2022)
基于这项研究，未来可致力于实现更高的换热强度（例如~107W m-2）以便在航天器和核能发电等应用中实现快速冷却。其次，可进一步探索该设计在极端压力或微重力情况下抑制莱顿弗罗斯特效应的能力，促进外太空的高温液冷应用。此外，可以尝试拓宽材料种类的选择，使系统具有多功能性和更加符合使用场景的传热性能与外观。
总结与展望
抑制莱顿弗罗斯特效应对高温工业领域的安全发展意义重大，一直以来众多学者致力于研究该效应并逐渐探索出改变莱顿弗罗斯特温度的规律。王钻开教授团队利用多纹理表面设计，通过引入隔热膜，以局部传热效率的降低换取整体换热强度的提升，有助于解决高温液冷这一难题。该设计理念可延伸至其他领域，为跨学科研究提供新思路。
扫二维码｜查看原文
原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00018-2
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Commentary发表的“A paradigm shift in liquid cooling by multitextured surface design” (投稿: 2022-02-11；接收: 2022-02-25；在线刊出: 2022-03-03)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100222
引用格式：Zhou Y. and Zhu P. (2022). A paradigm shift in liquid cooling by multitextured surface design. The Innovation. 3(2),100222.
作者简介
朱平安，香港城市大学机械工程系助理教授，Non-Equilibrium Science & Technology (NEST) 实验室负责人，专注于研究界面和流体领域的非平衡系统和现象，通过深入探索基础研究，开发可转化的应用技术，致力于解决能源、环境、化工、生物医学和其他科学领域的关键共性问题；近年来，通过理论、实验和数值模拟相结合，取得了一系列研究成果，在Science，Chemical Reviews，Nature Communications，Advanced Materials，The Innovation等期刊发表SCI论文37篇；曾获得2021中国新锐科技人物突出成就奖，2018 TechConnect全球创新奖，2017香港青年科学家奖最终提名，2016-2017香港大学机械工程系优秀论文奖等荣誉和奖项。
Web：http://www.cityu.edu.hk/mne/pingazhu/
往期推荐
| |||
| |||
| |||
| |||
| |||
|
| |||
|
| |||
|
期刊简介
扫二维码 ｜ 关注期刊官微
The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者们来自全球44个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外；已被92个国家作者引用。目前有190位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，31位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation致力于在海内外各平台推广作者文章。
期刊官网1（Owner）：
www.the-innovation.org
期刊官网2（Publisher）：
www.cell.com/the-innovation/home
期刊投稿（Submission）：
www.editorialmanager.com/the-innovation
商务合作（Marketing）：
marketing@the-innovation.org
Logo｜期刊标识
See the unseen & change the unchanged
创新是一扇门，我们探索未知；
创新是一道光，我们脑洞大开；
创新是一本书，我们期待惊喜；
创新是一个“1”，我们从此走起。
第3卷第1期 | 第2卷第4期 | 第2卷第3期 | 第2卷第2期 |
第2卷第1期 | 第1卷第3期 | 第1卷第2期 | 第1卷第1期 |